способ управления гидроаккумулирующей станцией и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ управления гидроаккумулирующей станцией, содержащей, по крайней мере, две энергосистемы, одна из которых энергоизбыточна, другая - энергодефицитна, и, по крайней мере, два агрегата, на валу каждого из которых обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины, заключающийся в том, что статорные обмотки электрической машины первого агрегата подключают к первой энергосистеме в двигательном режиме с гидравлической машиной в насосном режиме, отличающийся тем, что статорные обмотки электрической машины первого агрегата подключают к энергоизбыточной системе, одновременно статорные обмотки электрической машины второго агрегата подключают к энергодефицитной системе в генераторном режиме с гидравлической машиной в турбинном режиме.

2. Гидроаккумулирующая станция, содержащая, по крайней мере, две энергосистемы, одна из которых энергоизбыточна, другая - энергодефицитна, и, по крайней мере, два агрегата, на валу каждого из которых обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины со своим водоводом, соединяющим верхний и нижний бассейны гидроаккумулирующей станции, при этом статорные обмотки электрической машины первого агрегата подключены через трансформатор и выключатели к энергоизбыточной энергосистеме, статорные обмотки электрической машины второго агрегата подключены через трансформатор и выключатели к энергодефицитной энергосистеме, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным водоводом, выполненным в виде перемычки с затворами, соединяющими попарно входы гидравлических машин.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ может быть использован в области управляемой связи электроэнергетических систем на основе преобразователей частоты, конкретно - при управлении гидроаккумулирующими станциями.

В настоящее время объединяют отдельные энергосистемы в единую систему. Однако во многих случаях межсистемные связи оказываются настолько маломощными, что режим одной системы не может оказать существенного влияния на режим другой системы, поэтому взаимная синхронная работа часто оказывается невозможной. Вместе с тем нежелательна и раздельная работа, так как при этом в какой-то из систем создается дополнительный дефицит. Кроме того, существуют электрические системы, в которых частота меняется из-за колебаний мощных нагрузок. При объединении этих систем с системой с повышенными требованиями к качеству электроэнергии возникают трудности их взаимной синхронной работы.

Известен аналог-способ [Ведяшкин А.С. Гидроаккумулирующая электростанция. Патент РФ, № 2301298, МПК Е02В 9/00, приоритет 27.12.2007] управления гидроаккумулирующей станцией (ГАЭС), содержащей два и более агрегата, на валу каждого из которых обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины, заключающийся в том, что статорные обмотки электрических машин всех агрегатов станции подключают к энергосистеме в двигательном режиме с гидравлическими машинами в насосном режиме или статорные обмотки электрических машин всех агрегатов станции подключают к энергосистеме в генераторном режиме с гидравлическими машинами в турбинном режиме. Указанный способ имеет следующий недостаток. При этом способе управления гидроаккумулирующая станция может использоваться лишь с определенной цикличностью, следствием чего является недоиспользование установленного оборудования ГАЭС.

Известен также прототип-способ [Гуртовцев А.Л. Гидроаккумулирующие электростанции. ЭЛЕКТРО, 2007. № 1, стр.43-48.] управления гидроаккумулирующей станцией (ГАЭС), содержащей, по крайней мере, два агрегата, на валу каждой из которых обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины, основанный на том, что в режиме аккумулирования энергии все электрические машины включают двигателем, а все обратимые гидравлические машины включают насосом, в режиме обработки запасенной энергии все электрические машины включают генератором, а все обратимые гидравлические машина включают турбиной.

Недостатком способа-прототипа, как и способа-аналога, является то, что при этом способе управления гидроаккумулирующая станция может использоваться лишь с определенной цикличностью, следствием чего является недоиспользование установленного оборудования ГАЭС.

Известно устойство [Ершевич В.В., Кирьянова Н.А. Крупные электроаккумулирующие установки. - Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1985, № 1.] для реализации способа, состоящее из гидроаккумулирующей станции (ГАЭС). Гидротехническое сооружение ГАЭС состоит из двух бассейнов - верхнего (аккумулирующего) и нижнего (питающего), расположенных на разных уровнях и соединенных системой крупных наклонных трубопроводов (водоводов). Верхний бассейн может быть естественным (например, озером) или искусственным (забетонированным котлованом), а нижним бассейном чаще всего служит водоем, образуемый при перекрытии реки небольшой плотиной. Здание ГАЭС с гидроагрегатами располагается у нижнего бьефа, а каждый агрегат - у нижнего конца соответствующего водовода. Гидроагрегаты в ГАЭС с гидроагрегатами располагается у нижнего бьефа, а каждый агрегат - у нижнего конца соответствующего водовода. Гидроагрегаты в настоящее время в основном могут быть двухмашинными - из обратимой электромашины (двигателя - генератора) и обратимой (или реверсивной) гидромашины, работающей в зависимости от направления водотока и соответствующего направления вращения либо как насос, либо как турбина, т.е. в турбинном или насосном режимах.

Цикл ГАЭС заключается в том, что в ночное время, когда нагрузка энергосистемы сильно снижается, все электрические машины агрегатов включают в энергосистему в двигательном режиме, а все гидравлические машины агрегатов - в насосный режим, накачивают воду через водоводы из нижнего бассейна в верхний. В периоды пиков нагрузки энергосистемы запасенная в верхнем бассейне вода водоводами пропускают через все гидравлические машины ГАЭС у нижнего бассейна в турбинном режиме, а находящиеся с ними на одном валу все электрические машины включают в энергосистему в генераторном режиме, вырабатывая электроэнергию. Благодаря разнице между стоимостями "ночной" энергии и "пиковой" (обычно 3-5 раз) ГАЭС окупается за 7-8 лет.

Известное устройство обладает следующим недостатком. Водоводы ГАЭС обычно длиной порядка сотен метров, поэтому потери в них могут составлять до 3-5% (например, на первой очереди Загорской ГАЭС установлены 6 агрегатов; расчетный напор составляет 95-113 м. водяного столба (перепад высот между верхним и нижним бассейнами 100 м); диаметр трубопроводов d=7,5 м; длина трубопроводов l=700 м; гидрогенераторы мощностью по 200 МВт).

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении, по сравнению с традиционным, использования установленного оборудования ГАЭС, и, как следствие - сокращение сроков окупаемости ГАЭС.

Технический результат, заключающийся в объединении энергосистем с различающимися частотами для обеспечения нормальных режимов энергосистемы, одна из которых энергоизбыточна, другая энергодефицитна, и, по крайней мере, два агрегата, на валу каждого из которых обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины, заключающемся в том, что статорные обмотки электрической машины первого агрегата подключают к первой энергосистеме в двигательном режиме с гидравлическими машинами в насосном режиме, согласно изобретению, статорные обмотки электрической машины первого агрегата подключают к энергоизбыточной системе, одновременно статорные обмотки электрической машины второго агрегата подключают к энергодефицитной системе в генераторном режиме с гидравлическими машинами в турбинном режиме.

Кроме того, поставленная техническая задача решается также тем, что известная гидроаккумулирующая станция, содержащая по крайней мере, две энергосистемы, одна из которых энергоизбыточна, другая энергодефицитна, и, по крайней мере, два агрегата, на валу каждого из которых обратимая электрическая и обратимая гидравлическая машины со своим водоводом, соединяющим верхний и нижний бассейны гидроаккумулирующей станции, при этом статорные обмотки электрической машины первого агрегата подключены через свои трансформатор и выключатели к энергоизбыточной энергосистеме, статорные обмотки электрической машины второго агрегата подключены через свои трансформатор и выключатели к энергодефицитной энергосистеме согласно изобретению, снабжена дополнительным водоводом, выполненным в виде перемычки с затворами, соединяющей попарно входы гидравлических машин.

Предлагаемое устройство схематично представлено на рисунках. На Фиг.1 представлена упрощенная схема двух гидравлических машин ГАЭС с дополнительным водоводом - перемычкой с затворами.

На Фиг.2 представлен фрагмент схемы электрических соединений ГАЭС.

Согласно Фиг.1, ГАЭС из двух обратимых агрегатов содержит две обратимые гидравлические машины 1 и 2 соответственно с рабочими колесами 3 и 4, спиральными камерами 5 и 6 и водоводами 7 и 8, а также дополнительный поперечный водовод - перемычка 9 с затворами 10 и 11, а также затворы 12 и 13. Водоводами 7 и 8 спиральные камеры 5 и 6 гидравлических машин 1 и 2 соединены с верхним бассейном ГАЭС (на Фиг.1 верхний и нижний бассейны не показаны)

На Фиг.2 представлен фрагмент схемы электрических соединений двух обратимых электрических машин Загорской ГАЭС. Загорская ГАЭС содержит шесть обратимых агрегатов по 200 МВт, а полная электрическая схема приведена в справочнике [Электротехнический справочник: В 3т. Т.3. в 2 кн. Кн. 1. Производство и распределение электрической энергии (Под общ. ред. профессоров МЭИ: И.Н. Орлов (гл. ред.) и др) 7-е изд., испр. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1988. Стр 124.].

Шины объединяемых энергосистем 14 и 15 соединены с шинами 500 кВ 16 и 17 соответственно через выключатели 18, 19 и 20, 21. Шины 16 и 17 соответственно через трансформаторы 22 и 23 соединены с шинами 24 и 25 генераторного напряжения. Шины 24 через выключатели 26, 27 соединены со статорными обмотками обратимой электрической машины 30. Шины 25 через выключатели 28, 29 соединены со статорными обмотками обратимой электрической машины 31.

Устройство работает следующим образом. Для объединения двух энергосистем с различающимися частотами f₁ f₂ статорные обмотки электрической машины 30 первого агрегата подключают к шинам энергоизбыточной энергосистемы 14 в двигательном режиме с гидравлической машиной 1 (см. Фиг.1) в насосном режиме через выключатель 18 (выключатель 19 отключен), шины 16, трансформатор 22, шины 24 и выключатель 26 с прямым чередованием фаз (например, АВС). Выключатель 27 отключен (он используется для включения с обратным чередованием фаз, например АСВ, обратимой машины 30 только при отключенном выключателе 26). Статорные обмотки электрической машины 31 второго агрегата подключают к энергодефицитной системе 15 в генераторном режиме с гидравлической машиной 2 в турбинном режиме через выключатель 21 (выключатель 20 отключен), шины 17, трансформатор 23, шины 25 и выключатель 29 с обратным чередованием фаз (например, АСВ). Выключатель 28 с прямым чередованием фаз (например, АВС) отключен (он используется для включения только при отключенном выключателе 29). При такой схеме включения перечисленных элементов ГАЭС при работе электрической машины 30 в двигательном режиме, вода из нижнего бассейна рабочим колесом 3 обратимой гидравлической машины 1 первого агрегата, работающей в насосном режиме, через спиральную камеру 5 и водовод 7 накачивается в верхний бассейн ГАЭС. Одновременно при работе электрической машины 31 в генераторном режиме, вода из верхнего бассейна через водовод 8, спиральную камеру 6 и рабочее колесо 4 обратимой гидравлической машины 2 второго агрегата, работающей в турбинном режиме, поступает в нижний бассейн ГАЭС.

При больших длинах водоводов (например, у Загорской ГАЭС длина водоводов 700 м.) потери в протяженных водоводах могут составить для полного цикла до 3-5%. При работе ГАЭС в предлагаемом режиме преобразователя частоты для связи энергосистем, чтобы снизить эти потери, согласно Фиг.1 заслонки 12 и 13 закрывают, а заслонки 10 и 12 открывают, тем самым существенно сокращают путь прохождения водой от насоса 1 к турбине 2 через дополнительный водовод-перемычку 9. Заметим, что при наличии водовода-перемычки с затворами устройство может использоваться как испытательный стенд для гидротурбин различных типов для снятия реальных эксплуатационных характеристик. ГАЭС согласно предложению. Также может использоваться и для объединения трех и более энергосистем с различающимися частотами.

Таким образом, предлагаемый способ управления гидроаккумулирующей станцией позволяет использовать ГАЭС в качестве преобразователя частоты для объединения энергосистем и передавать электроэнергию из энергоизбыточной системы в энергодефицитную систему практически при любой разности их частот. При этом использовать ГАЭС в качестве преобразователя частоты для объединения энергосистем возможно как во время основных циклов гидроаккумулирующей станции, так и в периоды между этими циклами. Это расширяет использование оборудования ГАЭС и, как следствие - сокращает сроки окупаемости ГАЭС.